小型農(nóng)田水利工程中灌溉渠道的設(shè)計(jì)研究

周璽

（蘭州市水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，蘭州 730000）

1 引言

小型農(nóng)田水利工程也被稱為“小農(nóng)水”，主要指的是流量在1 m3/s以下的渠道，是對解決農(nóng)村農(nóng)田灌溉和人畜飲水所修建的各種基礎(chǔ)設(shè)施的總稱。小農(nóng)水工程作為農(nóng)業(yè)發(fā)展中基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分，根本目的是通過改善農(nóng)田水源現(xiàn)狀和區(qū)域水利，改變農(nóng)田生產(chǎn)條件，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)的高效性，是農(nóng)村發(fā)展邁入全面建設(shè)小康社會(huì)的基石。小農(nóng)水工程建設(shè)形式具有多樣性，如水源工程、渠道建筑、具有排水功能的河道工程等。灌溉渠道作為小農(nóng)水工程中的基礎(chǔ)設(shè)施，對農(nóng)田生產(chǎn)效益的提高具有重要意義，目前，我國小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道的修筑大部分是采用砂礫石或者土質(zhì)渠床，通過將水源分配輸送到澆灌區(qū)域各處，達(dá)到灌溉的目的，因此，灌溉渠道設(shè)計(jì)需根據(jù)灌溉水量和流量進(jìn)行[1]。

小農(nóng)水的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在工程和建設(shè)兩方面，其中，工程方面的特點(diǎn)主要有5個(gè)層面：（1）群眾性。我國地域遼闊，小農(nóng)水工程分布在我國各地農(nóng)村地區(qū)，極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，有效改善了農(nóng)民的生產(chǎn)生活方式，因此，小農(nóng)水是一項(xiàng)惠民的公益性、群眾性工程。（2）互助合作性?，F(xiàn)階段，小農(nóng)水工程功能仍有短板，但實(shí)際應(yīng)用過程中，可以發(fā)揮自身的最大作用，各功能相互配合，共同推動(dòng)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。（3）水利建設(shè)末端工程。輸配水是小農(nóng)水工程的重要作用，其灌溉渠道一般處于斗渠等級以下，即末端工程。（4）小規(guī)模性。小農(nóng)水工程與大型水利工程不同，小農(nóng)水工程規(guī)模小，且功能不齊全。（5）區(qū)域性。受多種外在因素的制約，且各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因素不同，例如，西北地區(qū)農(nóng)業(yè)極易受天氣影響，南方農(nóng)業(yè)則受溫度影響較大，在此情況下，小農(nóng)水工程應(yīng)運(yùn)而生，為各地方農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力保障，在其應(yīng)用過程中，充分體現(xiàn)出工程區(qū)域性這一特點(diǎn)。

2 小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)小農(nóng)水灌溉渠道時(shí)，一般需要遵循4個(gè)基本原則。

1）在農(nóng)田灌溉過程中，灌溉渠道的設(shè)計(jì)需有效擴(kuò)大一定水量的灌溉面積，確保水資源得到充分利用，對渠道的輸送水環(huán)節(jié)可適當(dāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免水資源浪費(fèi)。

2）灌溉渠道設(shè)計(jì)需結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)田實(shí)際情況，保證當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)平衡的條件下，對灌溉渠道進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，從而更好地對農(nóng)田用水和人畜飲水進(jìn)行分配[2]。

3）灌溉渠道設(shè)計(jì)應(yīng)避免過度占用農(nóng)田，對于渠道的蓄水區(qū)域及中轉(zhuǎn)需做好細(xì)節(jié)處理，確保其滿足相關(guān)技術(shù)要求的同時(shí)，遵循田地生產(chǎn)規(guī)律，在灌溉設(shè)計(jì)過程中，需將曲線設(shè)計(jì)平滑，加快水流流動(dòng)速度，有效提高灌溉效率。

4）灌溉設(shè)計(jì)基本完成后，需對農(nóng)田地質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)際考察，對于遇到的問題及時(shí)處理，及時(shí)補(bǔ)充設(shè)計(jì)中存在的缺陷，在對設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充時(shí)，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，同時(shí)保證灌溉渠道質(zhì)量和效益[3]。

3 小型農(nóng)田水利灌溉渠道設(shè)計(jì)中存在的問題

現(xiàn)階段我國農(nóng)田水利灌溉渠道使用效率有待提高，分布不均，很大程度上降低了灌溉效率。由于我國地域遼闊，各地區(qū)農(nóng)田土壤條件不同，在此情況下，農(nóng)田灌溉水資源利用率較低，水源有限，在一定程度上阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉渠道設(shè)計(jì)大多需要穿越農(nóng)田進(jìn)行蓄水和分渠，導(dǎo)致灌溉渠道占用大面積農(nóng)田，農(nóng)作物種植面積相對減少，生產(chǎn)效益呈現(xiàn)下降狀態(tài)。

3.1 設(shè)計(jì)人員技術(shù)水平有待提高

針對小型農(nóng)田水利工程中灌溉渠道的設(shè)計(jì)，部分設(shè)計(jì)人員缺乏一定的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的專業(yè)性和技術(shù)性仍有不足之處，設(shè)計(jì)中一味注重圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，往往忽視農(nóng)田地質(zhì)的實(shí)際情況。與此同時(shí)，部分設(shè)計(jì)人員仍沿用傳統(tǒng)灌溉渠道設(shè)計(jì)方式，難以實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)新，在細(xì)節(jié)處理上不夠仔細(xì)，未能對灌溉渠道設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行嚴(yán)格審查，導(dǎo)致設(shè)計(jì)嚴(yán)重背離實(shí)際情況。

3.2 灌溉渠道設(shè)計(jì)占用大面積農(nóng)田

我國傳統(tǒng)的小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道設(shè)計(jì)不能充分對農(nóng)田實(shí)際條件進(jìn)行考察，未能將其影響因素納入灌溉渠道設(shè)計(jì)中，對于渠道的設(shè)計(jì)缺乏一定的科學(xué)性、合理性，從而降低了設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)，由于未能很好地掌握水資源的狀況，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中占用大面積農(nóng)田，還在一定程度上破壞了生態(tài)平衡[4]。

3.3 灌溉渠道實(shí)際應(yīng)用后效率不高

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中需要充足的水源，因此，灌溉渠道在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保其能滿足農(nóng)田生產(chǎn)要求。但目前農(nóng)田灌溉中，未能實(shí)現(xiàn)灌溉面積最大化；少部分雖然為了提高灌溉效率，借鑒了先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)修建干渠，但這一技術(shù)應(yīng)用范圍小，大部分地區(qū)仍沿用傳統(tǒng)的灌溉渠道的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)修建，不僅灌溉效率低，渠道中還出現(xiàn)了滲漏、泥沙淤積等問題。

4 小型農(nóng)田水利工程中灌溉渠道設(shè)計(jì)

小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道設(shè)計(jì)：（1）需明確渠道的引水流量；（2）渠道斷面設(shè)計(jì)從橫斷面和縱斷面兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)；（3）完成前兩點(diǎn)后，開始進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，對工程總量進(jìn)行精確計(jì)算，然后著手初步設(shè)計(jì)報(bào)告。同時(shí)，小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道設(shè)計(jì)工作的順利開展需有效協(xié)調(diào)好農(nóng)田灌溉用水、灌溉效果及灌溉面積間的關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)小型農(nóng)田水利工程的灌溉目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)效益最大化。因此，為了更好地完成小型農(nóng)田水利工程中灌溉渠道的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)掌握其設(shè)計(jì)原理和影響因素，對于農(nóng)業(yè)中常用的小型水庫、蓄水池、機(jī)電井等小型農(nóng)田水利工程，應(yīng)了解其設(shè)計(jì)原理和相互關(guān)系，詳細(xì)了解其蓄水、輸配水、取排水等功能，深入認(rèn)識(shí)建造小型農(nóng)田水利工程的真正作用；并能在此基礎(chǔ)上，綜合工程整體做好設(shè)計(jì)前的實(shí)地調(diào)查工作，將農(nóng)田、水利設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的相互統(tǒng)一。

4.1 明確灌溉渠道引水流量

小型農(nóng)田水利工程的灌溉渠道設(shè)計(jì)中，最基礎(chǔ)的是農(nóng)田澆灌損失流量計(jì)算。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)受到多種因素的制約，因此，為了更好地進(jìn)行渠道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工作開展前應(yīng)進(jìn)行實(shí)地考察，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)田地質(zhì)條件、氣候條件、種植面積等因素制訂完善的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)灌溉渠道設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性、可行性。

小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道引水流量具體是指農(nóng)田灌溉凈流量和渠道損失流量的和。一般情況下，影響其因素較多，例如，灌溉河流的水流量大小、灌溉區(qū)域的水源條件、作物類別、農(nóng)田地質(zhì)、農(nóng)田面積、地方氣候、渠道長短等。在計(jì)算灌溉渠道引水量的過程中，需要對同一時(shí)間段的不同作物同時(shí)進(jìn)行灌溉，在其灌溉量最大的情況下，結(jié)合作物灌溉制度和灌溉面積進(jìn)行計(jì)算。灌溉渠道引水量的計(jì)算公式[5]為：

①1畝≈666.7 m2。

根據(jù)控制面積的不同，可將灌溉渠道分為干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠和毛渠。通常情況下，在小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道的設(shè)計(jì)過程中，干渠有效利用系數(shù)為0.5~0.7；支渠有效利用系數(shù)為0.6~0.8；渠道在襯砌時(shí)系數(shù)可隨之提高。

4.2 灌溉渠道的設(shè)計(jì)

4.2.1 確定渠道水位高程

在灌溉渠道設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)灌溉范圍內(nèi)存在的地面參考點(diǎn)高程以及各級渠道沿渠水頭損失，對渠道水位高程進(jìn)行確定。其中，灌溉渠道中沿渠水頭損失包括渠道比降損失和渠道建筑物水頭損失。

4.2.2 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

明確渠道引水量后即可開始灌溉渠道的斷面設(shè)計(jì)。在其設(shè)計(jì)過程中需要注意的是，在灌溉渠道流量一定時(shí)，斷面尺寸選擇時(shí)要將渠道水流量的比降流速等考慮在內(nèi)。

1）渠道比降及渠道流速

灌溉渠道設(shè)計(jì)時(shí)，其渠道比降一般是根據(jù)渠道地質(zhì)、渠道水流中的含泥沙量以及灌溉區(qū)域地面坡度計(jì)算的。若渠道比降較大，則渠道引水流速同步增大，對于斷面小的渠道，水頭跌落速度加快，而灌溉渠道范圍內(nèi)可控面積較少，渠床易遭到大力沖刷；若渠道比降較慢，且流速較小，會(huì)造成渠道淤積，大大降低渠道的輸水能力。一般小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道設(shè)計(jì)時(shí)，采用的比降范圍按照控制面積進(jìn)行計(jì)算。一般情況下，干渠、支渠的比降范圍在1/2 500~1/500；斗渠的比降范圍在1/1 500～1/200；引渠的比降范圍根據(jù)農(nóng)田的地形和渠道流量確定[6]。除此之外，灌溉渠道設(shè)計(jì)中對于渠道水流的流速，應(yīng)保證其小于渠道最大允許不沖流速且大于允許不淤流速，從而有效確保渠床的穩(wěn)定性。

2）渠道超高

小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道設(shè)計(jì)中，最為重要的一點(diǎn)是確定渠道超高，做好渠道超高設(shè)計(jì)能夠有效確保引水安全。通常渠道的超高和渠道級別及流量相關(guān)，渠道超高的計(jì)算公式為：

式中，R為水渠中水流的爬高，cm；e為最大風(fēng)壅水面高度，cm；A為安全加高，cm。

4）渠堤頂寬

一般渠堤頂寬的設(shè)計(jì)根據(jù)灌溉渠道的渠岸高度和流量大小設(shè)定。設(shè)計(jì)中，若渠堤與道路設(shè)計(jì)為一體，則道路一側(cè)的堤頂寬需嚴(yán)格按照相關(guān)交通要求確定。通常情況下，汽車路面寬度均采用6 m，田間干道寬度采用2.5 m。

4.3 灌溉渠道設(shè)計(jì)材料的選擇

在小型農(nóng)田水利工程中灌溉渠道的設(shè)計(jì)中，為有效保證渠道質(zhì)量和效益，需采用優(yōu)質(zhì)材料。灌溉渠道在實(shí)際應(yīng)用過程中，所處環(huán)境較為復(fù)雜，影響渠道質(zhì)量因素較多，因此，在其材料的選擇上，應(yīng)著重考慮材料的耐用性、抗老化性等性能。除此之外，考慮到大部分材料會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮問題，材料選擇時(shí)應(yīng)避免不易安裝且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料，有效減少甚至規(guī)避渠道滲漏等問題。相關(guān)設(shè)計(jì)人員在渠道材料的選擇方面，除考慮其質(zhì)量外，需遵循經(jīng)濟(jì)性原則，實(shí)現(xiàn)低成本高質(zhì)量的材料選擇。

5 結(jié)語

綜上所述，通過深入研究小型農(nóng)田水利工程中灌溉渠道的設(shè)計(jì)得知，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)在一定程度上能有效提高我國灌溉渠道的利用率，控制農(nóng)田水資源的浪費(fèi)，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益的提高。